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EP1411231A2 - Verfahren sowie Vorrichtung zur Steuerung einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Verfahren sowie Vorrichtung zur Steuerung einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine Download PDF

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Publication number
EP1411231A2
EP1411231A2 EP03090322A EP03090322A EP1411231A2 EP 1411231 A2 EP1411231 A2 EP 1411231A2 EP 03090322 A EP03090322 A EP 03090322A EP 03090322 A EP03090322 A EP 03090322A EP 1411231 A2 EP1411231 A2 EP 1411231A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
lean
combustion engine
zah
homogeneous
internal combustion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP03090322A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1411231A3 (de
EP1411231B1 (de
Inventor
Ekkehard Dr. Pott
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Publication of EP1411231A2 publication Critical patent/EP1411231A2/de
Publication of EP1411231A3 publication Critical patent/EP1411231A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1411231B1 publication Critical patent/EP1411231B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for controlling a lean-burn internal combustion engine with the features of the generic terms of independent claims 1 and 17.
  • the exhaust gas is passed over at least one catalytic converter, which converts one or more pollutant components of the exhaust gas into harmless or less environmentally relevant products.
  • Catalytic converter which converts one or more pollutant components of the exhaust gas into harmless or less environmentally relevant products.
  • Different types of catalysts are known. Oxidation catalysts promote the oxidation of unburned hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO), while reduction catalysts help reduce nitrogen oxides (NO x ) in the exhaust gas.
  • 3-way catalysts are used to catalyze the conversion of the three aforementioned components (HC, CO, NO X ) at the same time.
  • Storage catalysts for example NO x storage catalysts, are also known.
  • NO x storage catalysts have a working temperature range of approximately 250 ... 550 ° C in which nitrogen oxides can be stored with high efficiency in a lean operating mode. If this temperature window is exceeded, the efficiency of the storage drops quickly, so that applicable exhaust gas regulations cannot be complied with, such as the EU IV standard. Thus, below this temperature window, the storage and regeneration reactions take place with reaction speeds that are too low, while above the temperature window the thermally unstable nitrates decay, so that there is no adequate storage rate. Lean operation is therefore prohibited if the NO x storage efficiency drops or is measured or forecast.
  • This prohibition can be omitted if the NO x emissions determined upstream of the NO x storage catalytic converter are below a predefinable route-related emission threshold, as described in DE 101 52 670.9. In this case, a 100% NO X slip can be accepted, since this value is still below the legal emission limit values. If the route-related emission threshold is only slightly exceeded, lean operation is severely blocked, which disadvantageously results in consumption disadvantages.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method for controlling a to provide lean-burn internal combustion engine that is maintaining Lean operating phases that are as extensive as possible while adhering to strict exhaust gas standards is permitted and at the same time is consumption-optimized compared to the prior art. It should a device suitable for carrying out the method is also provided become.
  • lean operation of the internal combustion engine is at least temporarily permitted even when a route-related emission threshold value is exceeded, provided that a predefinable emission threshold value is maintained in the route-related average.
  • This emission threshold is generally determined by legal requirements that prescribe certain emission limits.
  • a "toggle mode" is thus operated between lean and homogeneous operation of the internal combustion engine, the homogeneous proportions of which are higher the further the route-related emissions, preferably NO x emissions, before the storage catalytic converter preferably exceed the emission threshold value.
  • the current route-related emission is measured or determined as a function of current operating parameters of the internal combustion engine, in particular on a speed and / or a load and / or a vehicle speed.
  • the object according to the invention is further achieved by a device which is characterized by means with which the aforementioned method steps can be carried out.
  • the means include in particular a control unit in which an algorithm for controlling the method steps is stored in digital form.
  • This control unit or the algorithm can be integrated particularly advantageously in an engine control unit of the internal combustion engine.
  • means are also provided with which a current speed, a rotational speed and / or a load of the vehicle or of the internal combustion engine can be detected in order to determine a route-related raw NO x emission.
  • FIG. 1 shows schematically an internal combustion engine 10 with a downstream exhaust system.
  • Exhaust gas generated by an internal combustion engine 10 preferably a lean-running or direct-injection gasoline engine, is passed through an exhaust gas duct 12, in which a catalytic converter system, consisting of a pre-catalytic converter 14 and a NO x storage catalytic converter 16 as main catalytic converter, is arranged.
  • a catalytic converter system consisting of a pre-catalytic converter 14 and a NO x storage catalytic converter 16 as main catalytic converter
  • Various sensors are also arranged in the exhaust duct 12, which enable control of the internal combustion engine 10.
  • an air / fuel mixture to be supplied to the internal combustion engine 10 is regulated to a target lambda specification ⁇ target by a lambda probe 18 arranged upstream of the pre-catalyst 14.
  • NO x emission (NO x breakthrough) is monitored with the aid of a downstream of the NO x storing catalyst 16 arranged NO x sensor 20.
  • an allowable operating mode (lean mode or stoichiometric / rich operating mode) is specified by the engine control unit 24.
  • the engine control unit 24 includes a control unit 26 in which an algorithm for determining an allowable lean temperature range as a function of a current raw emission of at least one exhaust gas component, in the present example from NO x , is deposited.
  • FIG. 2 shows a course of a catalytic activity A cat of the NO x storage catalytic converter 16 as a function of its catalytic converter temperature T cat .
  • the catalyst activity A Kat has a bell-shaped course with a central plateau region.
  • T Kat in particular below about 200 ° C.
  • the NO x storage and conversion processes take place at such low speeds that neither a significant storage rate nor a reduction rate of NO x can be observed.
  • Above the working temperature window in particular above about 550 ° C., there is dissociation due to the thermal instability of nitrate, the storage form of NO x , so that the storage capacity of the NO x storage catalytic converter 16 is too low here too.
  • the lean operation of the internal combustion engine 10 is also permitted according to the invention beyond a defined lean temperature range T M , in which the NO x storage catalytic converter 16 has a sufficiently high activity A Kat with regard to the storage and conversion of NO x , if the route-related mean adheres to a predefinable emission threshold value is so that strict legal emission limit values can still be met.
  • lean operation is typically only permitted at catalyst temperatures T Kat of the storage catalytic converter 16 of approximately 280 to 500 ° C., this lean temperature range T M may vary depending on the design of the catalytic converter.
  • the route-related NO x emission upstream of the NO x storage catalytic converter 16 is therefore determined as a function of current operating parameters n, L, v of the internal combustion engine 10 or of the vehicle.
  • the sequence of the method according to the invention is illustrated by the flow diagram shown in FIG. 3.
  • the method is triggered by a query S100 as to whether the current temperature T Kat of the NO x storage catalytic converter 16 has exceeded an upper threshold value or fallen below a lower threshold value at which the lean temperature range T M is left. If this is not the case, the routine returns to the starting point. If, on the other hand, the temperature T Kat of the NO x storage catalytic converter 16 is greater than the upper threshold value or less than the lower threshold value, a first step S102 of the method takes place, in which the current route-related NO x emission NOXS, which, as above in FIG is determined, divided by a predefinable route-related emission threshold NOXMX.
  • a value HAW is subtracted from the resulting NOXS / NOXMX factor, which represents a homogeneous adjustment value.
  • the ideal case i.e. 100% NO x conversion in homogeneous operation, it is exactly 1 and in real case, i.e. taking into account suboptimal conversion rates and small NO x slip when changing the operating mode, 0.98 ... 0.9. In unfavorable cases, this value can be even lower, down to 0.5.
  • the subtraction in the previous step S104 results in a value ZAH., which stands for a time portion of the homogeneous operation relative to the lean operation.
  • a minimum time grid MZR is defined, in which a change is to be made between homogeneous and lean operation. Ideally, a minimum time of 5 to 30 seconds, preferably 8 to 20 seconds, is used here.
  • a check is then carried out in a fourth step S108 as to whether the value ZAH for the time portion of the homogeneous operation relative to the lean operation is greater than, equal to or less than 1. If the value ZAH is exactly equal to 1, a switch is made between homogeneous and lean operation in a step S110 exactly in the minimum time grid MZR.
  • step S112 the lean operation is released in accordance with step S112 for the duration of the minimum time grid MZR and then homogeneous operation is prescribed for a period of time MZR x ZAH.
  • step S114 a switch in accordance with step S114 gives the possibility of also switching to the minimum time grid between homogeneous and lean operation according to step S110, or homogeneous operation in one for the duration of the minimum time grid MZR Prescribe step S116 and then release the lean operation for the period MZR / ZAH. If a predeterminable upper ZAH threshold value ZAHMX is reached or exceeded, the lean portion would be so low that no noteworthy consumption advantages could be achieved.
  • the ZAH threshold value ZAHMX should preferably be between 3 and 15 and particularly preferably between 4 and 6. Accordingly, lean operation is permitted in a step S120 if the value ZAH falls below a predeterminable lower threshold value ZAHMN, ZAHMN preferably being between 0.02 and 0.3 and particularly preferably between 0.02 and 0.2.
  • the lower threshold value ZAHMN depends on the information from HAW. The lower the homogeneous adaptation value HAW, the higher the lower threshold value ZAHMN can be selected.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine (10) zum Antrieb eines Fahrzeuges mit mindestens einem nachgeschalteten Katalysator (14, 16), wobei ein Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (10) mit λ > 1 innerhalb eines zulässigen Magertemperaturbereiches (TM) für eine Katalysatortemperatur des mindestens einen Katalysators (14, 16) zugelassen wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Es ist vorgesehen, dass der Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (10) auch über den festgelegten Magertemperaturbereich (TM) hinaus zumindest temporär zugelassen wird, wenn im streckenbezogenen Mittel zumindest ein Emissionsschwellwert eingehalten wird sowie dass die erfindungsgemäße Vorrichtung Mittel aufweist, mit denen die vorgenannten Verfahrensschritte durchführbar sind. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Steuerung einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen der Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche 1 und 17.
Es ist bekannt, zur Nachbehandlung von Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen das Abgas katalytisch zu reinigen. Dazu wird das Abgas über mindestens einen Katalysator geleitet, der eine Konvertierung einer oder mehrerer Schadstoffkomponenten des Abgases zu unbedenklichen oder weniger umweltrelevanten Produkten vornimmt. Es sind unterschiedliche Arten von Katalysatoren bekannt. Oxidationskatalysatoren fördern die Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO), während Reduktionskatalysatoren eine Reduzierung von Stickoxiden (NOX) des Abgases unterstützen. Ferner werden 3-Wege-Katalysatoren verwendet, um die Konvertierung der drei vorgenannten Komponenten (HC, CO, NOX) gleichzeitig zu katalysieren. Daneben sind auch Speicherkatalysatoren, beispielsweise NOX-Speicherkatalysatoren, bekannt. Diese werden bei der Abgasreinigung von Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt, die aus Gründen einer Verbrauchsoptimierung über möglichst große Lastbereiche, insbesondere im Niedrig- oder Teillastbereich, in einem verbrauchsgünstigen Magerbetrieb gefahren werden, das heißt mit einem sauerstoffreichen Abgas mit λ > 1 betrieben werden, wobei in hohem Maße Stickoxide NOx entstehen. Die Stickoxide NOx können bei einer katalytischen oxidativen Umsetzung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC und Kohlenmonoxid CO nicht vollständig zu umweltneutralem Stickstoff umgesetzt werden. Zur Abhilfe werden vorgenannte NOX-Speicherkatalysatoren in den Abgaskanälen von Verbrennungskraftmaschinen angeordnet, die in mageren Betriebsphasen NOX als Nitrat einlagern. Der NOX-Speicherkatalysator muss in wiederkehrenden Abständen durch Umschaltung in einen fetten oder stöchiometrischen Betrieb (λ ≤ 1) der Verbrennungskraftmaschine regeneriert werden.
Ein gemeinsames Problem praktisch aller Katalysatorsysteme, insbesondere auch von NOx-Speicherkatalysatoren, stellt die starke Abhängigkeit einer Speicher- und/oder Konvertierungsaktivität der Katalysatoren von der Katalysatortemperatur dar. So weisen NOx-Speicherkatalysatoren einen Arbeitstemperaturbereich von etwa 250...550 °C, in dem in einem mageren Betriebsmodus Stickoxide mit hohem Wirkungsgrad eingelagert werden können. Bei Überschreitung dieses Temperaturfensters bricht der Wirkungsgrad der Einlagerung schnell ein, so dass geltende Abgasvorschriften nicht eingehalten werden können, wie zum Beispiel die EU IV-Norm. So laufen unterhalb dieses Temperaturfensters die Speicher- und Regenerationsreaktionen mit zu geringen Reaktionsgeschwindigkeiten ab, während oberhalb des Temperaturfensters die thermisch instabilen Nitrate zerfallen, so dass keine hinreichende Speicherrate vorliegt. Daher wird bei gemessenem oder prognostiziertem Einbrechen des NOX-Speicherwirkungsgrades der Magerbetrieb verboten. Dieses Verbot kann unterbleiben, wenn die ermittelten NOX-Emissionen stromauf des NOX-Speicherkatalysators unterhalb einer vorgebbaren streckenbezogenen Emissionsschwelle liegen, wie in der DE 101 52 670.9 beschrieben. In diesem Falle kann ein 100%-NOX-Schlupf in Kauf genommen werden, da dieser Wert immer noch unter den gesetzlichen Emissionsgrenzwerten liegt. Bei nur geringfügigem Überschreiten des streckenbezogenen Emissionsschwellwertes wird der Magerbetrieb hart gesperrt, wodurch sich nachteilhafterweise Verbrauchsnachteile ergeben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Steuerung einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, das die Aufrechterhaltung möglichst ausgedehnter Magerbetriebsphasen bei Einhaltung strenger Abgasnormen gestattet und gleichzeitig gegenüber dem Stand der Technik verbrauchsoptimiert ist. Es soll ferner eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 beziehungsweise Anspruch 17 genannten Merkmalen gelöst.
Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass ein Magerbetrieb des Verbrennungsmotors auch bei Überschreiten eines streckenbezogenen Emissionsschwellwertes zumindest temporär zugelassen wird, sofern im streckenbezogenen Mittel ein vorgebbarer Emissionsschwellwert eingehalten wird. Dieser Emissionsschwellwert wird in der Regel durch gesetzliche Vorgaben, die bestimmte Emissionsgrenzen vorschreiben, bedingt. Damit wird ein "Toggle-Mode" zwischen Mager- und Homogenbetrieb des Verbrennungsmotors gefahren, dessen Homogenanteile umso höher sind, je weiter die streckenbezogenen Emissionen, vorzugsweise NOX-Emissionen, vor vorzugsweise dem Speicherkatalysator den Emissionsschwellwert überschreiten. Die aktuelle streckenbezogene Emission wird gemessen beziehungsweise in Abhängigkeit aktueller Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere von einer Drehzahl und/oder einer Last und/oder einer Fahrzeuggeschwindigkeit, ermittelt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird wie folgt vorgegangen:
  • Durch eine Routine wird die aktuelle Temperatur des NOX-Speicherkatalysators abgeprüft. Sobald diese einen oberen Schwellwert überschreitet, das heißt aus dem Temperaturfenster des NOX-Speicherkatalysators heraustritt, wird das Verfahren initiiert.
  • In einem ersten Schritt wird die aktuelle streckenbezogene NOX-Emission NOXS durch einen vorgebbaren streckenbezogenen Emissionsschwellwert NOXMX dividiert.
  • Von dem so ermittelten Faktor NOXS/NOXMX wird in einem zweiten Schritt ein Wert HAW subtrahiert wird, wodurch sich gemäß nachstehender Formel (I) ein Wert ZAH ergibt: ZAH = NOXS / NOXMX - HAW. Dabei ist ZAH der Zeitanteil des Homogenbetriebes relativ zum Magerbetrieb. HAW beschreibt einen Homogen-Anpassungswert, der im Idealfall (100 % NOX-Konvertierung im Homogenbetrieb) bei genau 1 und im Realfall (unter Berücksichtigung suboptimaler Konvertierungsraten sowie kleinem NOX-Schlupf bei Betriebsartenumschaltungen) bei 0,98...0,9, in ungünstigen Fällen auch noch niedriger, bis 0,5, liegt.
  • In einem dritten Schritt wird ein Mindest-Zeitraster MZR definiert, in dem zwischen den Betriebsarten gewechselt werden soll, um den emissions- und fahrkomfortungünstigen Betriebsartenwechsel nicht zu häufig durchführen zu müssen. Ideal ist hier eine Mindest-Zeit von 5 bis 30 Sekunden, optimal 8 bis 20 Sekunden.
  • In einem vierten Schritt wird geprüft, ob der Zeitanteil des Homogenbetriebes relativ zum Magerbetrieb ZAH größer, gleich oder kleiner als 1 ist. Falls der Zeitanteil des Homogenbetriebes relativ zum Magerbetrieb ZAH genau gleich 1 ist, wird genau im Mindest-Zeitraster zwischen Homogen- und Magerbetrieb gewechselt. Ist der Zeitanteil des Homogenbetriebes relativ zum Magerbetrieb ZAH größer als 1, so wird für die Dauer des Mindest-Zeitrasters der Magerbetrieb freigegeben und anschließend für die Zeitdauer (MZR x ZAH) der Homogenbetrieb vorgeschrieben. Ist der Zeitanteil des Homogenbetriebes relativ zum Magerbetrieb ZAH kleiner als 1, so kann ebenfalls genau im Mindest-Zeitraster zwischen Homogen- und Magerbetrieb gewechselt werden. Alternativ wird für die Dauer des Mindest-Zeitrasters MZR der Homogenbetrieb vorgeschrieben und anschließend für die Zeitdauer MZR/ZAH der Magerbetrieb freigegeben.
  • Wird ein vorgebbarer oberer ZAH-Schwellwert ZAHMX überschritten, so ist der Mageranteil im Toggle-Modus so klein, dass keine nennenswerten Verbrauchsvorteile mehr erreicht werden können. In diesem Falle wird der Magerbetrieb komplett unterdrückt. Der ZAH-Schwellwert ZAHMX sollte vorzugsweise 3 bis 15 und besonders bevorzugt 4 bis 6 betragen.
  • Analog kann dauernder Magerbetrieb zugelassen werden, wenn der Zeitanteil des Homogenbetriebes relativ zum Magerbetrieb ZAH einen vorgebbaren unteren Schwellwert ZAHMN unterschreitet. Der Schwellwert ZAHMN soll vorzugsweise 0,02 bis 0,3 und besonders bevorzugt 0,02 bis 0,2 betragen. Der Schwellwert ZAHMN richtet sich nach der Bedatung des Homogen-Anpassungswertes HAW. Je niedriger der Homogen-Anpassungswert HAW liegt, desto höher ist der Schwellwert ZAHMN zu wählen.
Mit dem beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren kann vorteilhafterweise eine deutliche Verbrauchsminderung unter Einhaltung der vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte erzielt werden, da durch Betrachtung eines streckenbezogenen Mittels des Emissionsschwellwertes höhere Magerbetriebsanteile beim Betreiben des Verbrennungsmotors erzielt werden können.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung gelöst, die durch Mittel gekennzeichnet ist, mit denen die vorgenannten Verfahrensschritte durchführbar sind. Dabei umfassen die Mittel insbesondere eine Steuereinheit, in der ein Algorithmus zur Steuerung der Verfahrensschritte in digitaler Form hinterlegt ist. Diese Steuereinheit beziehungsweise der Algorithmus kann besonders vorteilhaft in einem Motorsteuergerät der Verbrennungskraftmaschine integriert sein. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind ferner Mittel vorgesehen, mit denen eine aktuelle Geschwindigkeit, eine Drehzahl und/oder eine Last des Fahrzeuges beziehungsweise des Verbrennungsmotors erfasst werden kann, um eine streckenbezogene NOX-Rohemission zu ermitteln.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1
schematisch eine Verbrennungskraftmaschine mit nachgeschalteter Abgasanlage;
Figur 2
einen typischen Verlauf einer Katalysatoraktivität eines NOx-Speicherkatalysators in Abhängigkeit von seiner Temperatur und
Figur 3
ein Fließschema mit einem Verfahrensablauf gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Figur 1 zeigt schematisch eine Verbrennungskraftmaschine 10 mit nachgeschalteter Abgasanlage. Von einer Verbrennungskraftmaschine 10, vorzugsweise einem magerlauffähigen oder direkteinspritzenden Ottomotor, erzeugtes Abgas wird durch einen Abgaskanal 12 geleitet, in dem ein Katalysatorsystem, bestehend aus einem Vorkatalysator 14 und einem NOx-Speicherkatalysator 16 als Hauptkatalysator, angeordnet ist. Im Abgaskanal 12 sind ferner verschiedene Sensoren angeordnet, die eine Steuerung der Verbrennungskraftmaschine 10 ermöglichen. Insbesondere erfolgt eine Regelung eines der Verbrennungskraftmaschine 10 zuzuführenden Luft-Kraftstoff-Gemisches auf eine Lambda-Soll-Vorgabe λSoll durch eine stromauf des Vorkatalysator 14 angeordnete Lambdasonde 18. Zudem erfolgt eine Überwachung einer NOx-Emission (NOx-Durchbruch) mit Hilfe eines stromab des NOX-Speicherkatalysators 16 angeordneten NOx-Sensors 20. Schließlich erfasst ein in Nähe des NOx-Speicherkatalysators 16 angeordneter Temperatursensor 22 eine Abgastemperatur, aus welcher eine Temperatur des NOX-Speicherkatalysators 16 abgeleitet werden kann. Alternativ kann die Temperatur des NOX-Speicherkatalysators 16 auch in Abhängigkeit geeigneter Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10 berechnet werden. Alle Sensorsignale λ, T, NOx sowie verschiedene Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere eine Drehzahl n, eine Motorlast L und eine Fahrzeuggeschwindigkeit v, finden Eingang in ein Motorsteuergerät 24, das in Abhängigkeit dieser Daten einen Betriebsmodus der Verbrennungskraftmaschine 10 steuert. Insbesondere erfolgt eine Vorgabe eines zulässigen Betriebsmodus (Magermodus oder stöchiometrisch/fetter Betriebsmodus) durch das Motorsteuergerät 24. Das Motorsteuergerät 24 umfasst eine Steuereinheit 26, in der ein Algorithmus zur Bestimmung eines zulässigen Magertemperaturbereiches in Abhängigkeit einer aktuellen Rohemission mindestens einer Abgaskomponente, im vorliegenden Beispiel von NOx, hinterlegt ist.
Figur 2 zeigt einen Verlauf einer Katalysatoraktivität AKat des NOx-Speicherkatalysators 16 in Abhängigkeit von seiner Katalysatortemperatur TKat. Es ist zu erkennen, dass die Katalysatoraktivität AKat einen glockenförmigen Verlauf mit zentralem Plateaubereich aufweist. Bei niedrigen Katalysatortemperaturen TKat, insbesondere unterhalb von etwa 200 °C, laufen die NOx-Einspeicher- und -Konvertierungsvorgänge mit so niedrigen Geschwindigkeiten ab, dass weder eine nennenswerte Einspeicherrate noch Reduktionsrate von NOx zu beobachten ist. Oberhalb des Arbeitstemperaturfensters, insbesondere oberhalb von etwa 550 °C, findet wegen der thermischen Instabilität von Nitrat, der Einspeicherform von NOx, eine Dissoziation statt, so dass auch hier eine zu geringe Speicherfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators 16 vorliegt.
Der Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 wird erfindungsgemäß auch über einen festgelegten Magertemperaturbereich TM, in dem der NOx-Speicherkatalysator 16 eine ausreichend hohe Aktivität AKat hinsichtlich der Speicherung und Konvertierung von NOx aufweist, hinaus zugelassen, wenn im streckenbezogenen Mittel ein vorgebbarer Emissionsschwellwert eingehalten wird, so dass dennoch strenge gesetzliche Emissionsgrenzwerte eingehalten werden können. Entsprechend der Europäischen Abgasnorm EU IV wird der Magerbetrieb typischerweise nur bei Katalysatortemperaturen TKat des Speicherkatalysators 16 von zirka 280 bis 500 °C zugelassen, wobei dieser Magertemperaturbereich TM je nach Ausführung des Katalysators abweichen kann. Es wird daher in Abhängigkeit aktueller Betriebsparameter n, L, v der Verbrennungskraftmaschine 10 beziehungsweise des Fahrzeuges die streckenbezogene NOx-Emission stromauf des NOX-Speicherkatalysators 16 ermittelt.
Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch das in Figur 3 gezeigte Fließschema verdeutlicht. Ausgelöst wird das Verfahren durch eine Abfrage S100, ob die aktuelle Temperatur TKat des NOX-Speicherkatalysators 16 einen oberen Schwellwert überschritten oder einen unteren Schwellwert unterschritten hat, bei dem der Magertemperaturbereich TM verlassen wird. Ist dies nicht der Fall, kehrt die Routine zum Ausgangspunkt zurück. Ist hingegen die Temperatur TKat des NOX-Speicherkatalysators 16 größer als der obere Schwellwert oder kleiner als der untere Schwellwert, so erfolgt ein erster Schritt S102 des Verfahrens, in dem die aktuelle streckenbezogene NOX-Emission NOXS, die wie voranstehend bei Figur 2 beschrieben ermittelt wird, durch einen vorgebbaren streckenbezogenen Emissionsschwellwert NOXMX dividiert wird. Von dem sich daraus ergebenden Faktor NOXS/NOXMX wird in einem zweiten Schritt S104 ein Wert HAW subtrahiert wird, der einen Homogen-Anpassungswert darstellt. Dieser liegt im Idealfall, das heißt 100 % NOX-Konvertierung im Homogenbetrieb, bei genau 1 und im Realfall, das heißt unter Berücksichtigung suboptimaler Konvertierungsraten und kleinem NOX-Schlupf bei Betriebsartenumschaltungen, bei 0,98...0,9. In ungünstigen Fällen kann dieser Wert auch noch niedriger, bis 0,5, liegen. Durch die Subtraktion im vorherigen Schritt S104 ergibt sich ein Wert ZAH., der für einen Zeitanteil des Homogenbetriebes relativ zum Magerbetrieb steht. In einem dritten parallelen Schritt S106 wird ein Mindest-Zeitraster MZR definiert, in dem zwischen Homogen- und Magerbetrieb gewechselt werden soll. Idealerweise wird hier eine Mindest-Zeit von 5 - 30 Sekunden, vorzugsweise von 8 - 20 Sekunden angesetzt. Anschließend erfolgt in einem vierten Schritt S108 die Prüfung, ob der Wert ZAH für den Zeitanteil des Homogenbetriebes relativ zum Magerbetrieb größer, gleich oder kleiner als 1 ist. Falls der Wert ZAH genau gleich 1 ist, wird in einem Schritt S110 genau im Mindest-Zeitraster MZR zwischen Homogen- und Magerbetrieb gewechselt. Sofern der Wert ZAH größer als 1 ist, wird gemäß Schritt S112 für die Dauer des Mindest-Zeitrasters MZR der Magerbetrieb freigegeben und anschließend für eine Zeitdauer MZR x ZAH der Homogenbetrieb vorgeschrieben. Ist der Wert ZAH kleiner als 1, so ist durch eine Weiche gemäß einem Schritt S114 die Möglichkeit gegeben, ebenfalls auf das Mindest-Zeitraster zwischen Homogen- und Magerbetrieb gemäß Schritt S110 zu wechseln oder für die Dauer des Mindest-Zeitrasters MZR den Homogenbetrieb in einem Schritt S116 vorzuschreiben und anschließend für die Zeitdauer MZR/ZAH den Magerbetrieb freizugeben. Wird ein vorgebbarer oberer ZAH-Schwellwert ZAHMX erreicht beziehungsweise überschritten, so wäre der Mageranteil so gering, dass keine nennenswerten Verbrauchsvorteile mehr erreicht werden könnten. Daher wird in diesem Falle in einem Schritt S118 der Magerbetrieb komplett unterdrückt. Der ZAH-Schwellwert ZAHMX soll vorzugsweise zwischen 3 und 15 und besonders bevorzugt zwischen 4 bis 6 liegen. Dementsprechend wird ein dauernder Magerbetrieb in einem Schritt S120 zugelassen, wenn der Wert ZAH einen vorgebbaren unteren Schwellwert ZAHMN unterschreitet, wobei ZAHMN vorzugsweise zwischen 0,02 und 0,3 und besonders bevorzugt zwischen 0,02 und 0,2 liegt. Der untere Schwellwert ZAHMN richtet sich nach der Bedatung von HAW. Je niedriger der Homogen-Anpassungswert HAW liegt, desto höher kann der untere Schwellwert ZAHMN gewählt werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
10
Verbrennungskraftmaschine
12
Abgaskanal
14
Vorkatalysator
16
NOX-Speicherkatalysator
18
Lambdasonde
20
NOX-Sensor
22
Temperatursensor
24
Motorsteuergerät
26
Steuereinheit
λ
Luft-Kraftstoff-Verhältnis
AKat
Katalysatoraktivität
L
Motorlast
n
Motordrehzahl
TKat
Katalysatortemperatur
TM
Magertemperaturbereich
V
Fahrzeuggeschwindigkeit
HAW
Homogen-Anpassungswert
NOXS
streckenbezogene NOX-Emission
NOXS/NOXMX
Faktor
HAW
Homogen-Anpassungswert
MZR
Mindest-Zeitraster
MZR x ZAH
Zeitdauer
ZAH
Zeitanteil des Homogenbetriebes relativ zum Magerbetrieb
ZAHMN
unterer ZAH-Schwellwert
ZAHMX
oberer ZAH-Schwellwert
S100
Abfrage Temperatur des NOX-Speicherkatalysators
S102
Ermittlung des Faktors NOXS/NOXMX
S104
Ermittlung des Wertes ZAH
S106
Definition von MZR
S108
Prüfung ZAH
S110
Wechsel von Homogen- und Magerbetrieb im MZR
S112
Vorgabe der Anteile von Mager- und Homogenbetrieb
S114
Weiche
S116
Vorgabe der Anteile von Mager- und Homogenbetrieb
S118
Unterdrückung Magerbetrieb
S120
Zulassung dauernder Magerbetrieb

Claims (19)

  1. Verfahren zur Steuerung einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine (10) zum Antrieb eines Fahrzeuges mit mindestens einem nachgeschalteten Katalysator (14, 16), wobei ein Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (10) mit λ > 1 innerhalb eines zulässigen Magertemperaturbereiches (TM) für eine Katalysatortemperatur des mindestens einen Katalysators (14, 16) zugelassen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (10) auch über den festgelegten Magertemperaturbereich (TM) hinaus zumindest temporär zugelassen wird, wenn im streckenbezogenen Mittel zumindest ein Emissionsschwellwert eingehalten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei temporärer Zulassung der Überschreitung des Magertemperaturbereiches (TM) Wechsel zwischen Mager- und Homogenbetrieb des Verbrennungsmotors (10) gegeben sind, deren Homogenanteile umso höher sind, je weiter die streckenbezogenen Emissionen vor dem Katalysator (14, 16) den Emissionsschwellwert überschreiten.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktuelle streckenbezogene Emission mindestens einer Abgaskomponente der Verbrennungskraftmaschine (10) ermittelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktuelle streckenbezogene Emission gemessen oder in Abhängigkeit aktueller Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine (10) ermittelt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Ermittlung der aktuellen Emission der mindestens einen Abgaskomponente verwendeten aktuellen Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine (10) zumindest eine Fahrzeuggeschwindigkeit (v) und/oder eine Drehzahl (n) und/oder eine Last (L) sind.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Abgaskomponente Stickoxid (NOX) und mindestens ein Katalysator (14, 16) ein NOX-Speicherkatalysator (16) ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
    das Verfahren durch Überschreitung eines oberen Schwellwertes oder Unterschreitung eines unteren Schwellwertes für die Temperatur des NOX-Speicherkatalysators initiiert wird,
    die aktuelle streckenbezogene NOX-Emission (NOXS) durch einen vorgebbaren streckenbezogenen Emissionsschwellwert (NOXMX) dividiert wird,
    von dem so ermittelten Faktor (NOXS/NOXMX) ein Homogen-Anpassungswert (HAW) subtrahiert wird, wodurch sich ein Zeitanteil des Homogenbetriebes relativ zum Magerbetrieb (ZAH) ergibt,
    zudem ein Mindest-Zeitraster (MZR) definiert wird, in dem zwischen den Betriebsarten gewechselt werden soll, und
    anschließend geprüft wird, ob der Zeitanteil des Homogenbetriebes relativ zum Magerbetrieb (ZAH) größer, gleich oder kleiner als 1 ist,
    sofern der Zeitanteil des Homogenbetriebes relativ zum Magerbetrieb (ZAH) genau gleich 1 ist, genau im Mindest-Zeitraster (MZR) zwischen Homogen- und Magerbetrieb gewechselt wird,
    sofern der Zeitanteil des Homogenbetriebes relativ zum Magerbetrieb (ZAH) größer als 1 ist, für die Dauer des Mindest-Zeitrasters (MZR) der Magerbetrieb freigegeben und anschließend für die Zeitdauer (MZR x ZAH) der Homogenbetrieb vorgeschrieben wird, und
    sofern der Zeitanteil des Homogenbetriebes relativ zum Magerbetrieb (ZAH) kleiner als 1 ist, ebenfalls genau im Mindest-Zeitraster zwischen Homogen- und Magerbetrieb gewechselt oder für die Dauer des Mindest-Zeitrasters (MZR) der Homogenbetrieb vorgeschrieben und anschließend für die Zeitdauer (MZR/ZAH) der Magerbetrieb freigegeben werden kann.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten eines oberen ZAH-Schwellwertes (ZAHMX) der Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (10) unterdrückt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der ZAH-Schwellwert (ZAHMX) 3 bis 15 beträgt.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der ZAH-Schwellwert (ZAHMX) 4 bis 6 beträgt.
  11. Verfahren nach einem Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dauernder Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (10) zugelassen wird, wenn der Zeitanteil des Homogenbetriebes relativ zum Magerbetrieb (ZAH) einen vorgebbaren unteren Schwellwert (ZAHMN) unterschreitet.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert (ZAHMN) 0,02 bis 0,3 beträgt.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert (ZAHMN) 0,02 bis 0,2 beträgt.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Homogenanpassungs-Wert (HAW) zwischen 1 und 0,5 liegt.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Mindest-Zeitraster (MZR) eine Mindest-Zeit von 5 bis 30 Sekunden aufweist.
  16. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Mindest-Zeitraster (MZR) eine Mindest-Zeit von 8 bis 20 Sekunden aufweist.
  17. Vorrichtung zur Steuerung einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine (10) nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zum Antrieb eines Fahrzeuges mit mindestens einem nachgeschalteten Katalysator (14, 16), wobei ein Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (10) mit λ > 1 innerhalb eines zulässigen Magertemperaturbereichs (TM) für eine Katalysatortemperatur des mindestens einen Katalysators (14, 16) zulässig ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (10) auch über den festgelegten Magertemperaturbereich (TM) hinaus zumindest temporär zugelassen wird, wenn im streckenbezogenen Mittel zumindest ein vorgebbarer Emissionsschwellwert eingehalten wird, wobei zur Durchführung des Verfahrens Mittel vorgesehen sind.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine Steuereinheit (26) umfassen, in der ein Algorithmus zur Steuerung der Verfahrensschritte gespeichert ist.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (26) in ein Motorsteuergerät (24) integriert ist.
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